Физико-математическое моделирование особенностей формирования угловых швов мостовых металлоконструкций при дуговой сварке под флюсом

Введение. Исследовано формирование швов мостовых металлоконструкций при дуговой сварке под флюсом. Цель работы — изучить возможности увеличения производительности процесса дуговой сварки угловых швов.

Материалы и методы. Для оптимизации технологии задействованы методы компьютерного анализа. С их помощью разработана физико-математическая модель формообразования угловых швов при сварке под флюсом. Она основана на системе уравнений теплопроводности и равновесия поверхности сварочной ванны. В данной системе формирование дуговой каверны определено по изотерме кипения флюса под действием излучения столба дуги, учтены теплоперенос парами флюса внутри дуговой каверны и влияние пространственного положения на формирование сварочной ванны.

Результаты исследования. Предложены новые математические зависимости, описывающие физические явления при дуговой сварке угловых швов под флюсом. Основная особенность предложенной модели — учет принципиального отличия дуговой сварки под флюсом от дуговой сварки в защитном газе, а именно: при сварке под флюсом дуга горит в парогазовой полости, возникающей при плавлении и испарении флюса. Проведено численное моделирование распределения температур при сварке под флюсом «в лодочку» и «в угол». Выявлены ограничения процесса при сварке угловых швов за один проход. Установлено, что сварка под флюсом «в лодочку» в один проход обеспечивает качественное формирование швов практически для любой толщины листов металла. При сварке «в угол» качественное формирование обеспечивается только для толщины до 8 мм. При больших толщинах формирование шва нарушается из-за стекания расплава с вертикальной стенки. В этом случае катет углового шва уменьшится, образуется характерный подрез, поэтому сварной шов будет асимметричным и менее прочным.

Обсуждение и заключение.Сравнение результатов численного анализа с фактическими данными о режимах сварки при производстве мостовых металлоконструкций показало, что существующие технологии сварки угловых швов уже достигли своей максимальной производительности. Далее повышать производительность за счет формирования катетов увеличенного размера можно только при многодуговых или многоэлектродных способах сварки.

1. Курлянд, В. Г. Строительство мостов : учеб. пособ. для вузов / В. Г. Курлянд, В. В. Курлянд. — Москва : МАДИ, 2012. — 176 с.

2. Полосков, С. С. Организационно-управленческий механизм управления инновационным потенциалом высокотехнологичных наукоемких предприятий / С. С. Полосков, А. В. Желтенков // Экономика и предпринимательство. — 2019. — № 2 (103). — С. 1051–1057.

3. Вотинова, Е. Б. Основы технологической подготовки производства / Е. Б. Вотинова, М. П. Шалимов, А. М. Фивейский. — Екатеринбург : УрФУ, 2017. — 168 с.

4. Мосин, А. А. Возможности повышения производительности сварки протяженных угловых швов мостовых металлоконструкций / А. А. Мосин // Сварка и диагностика. — 2020. — № 1. — С. 50–54.

5. Исследование влияния режимов сварки под слоем флюса на форму и проплавление угловых швов / А. О. Артемов, В. В. Каратыш, В. М. Язовских [и др.] // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. — 2010. — Т. 12, № 5. — С. 130–142.

6. Томас, К. И. Технология сварочного производства / К. И. Томас, Д. П. Ильященко. — Томск : Изд-во ТПУ. — 2011. — 247 с.

7. Shen, J. Welding simulation of fillet-welded joint using shell elements with section integration / J. Shen, Z. Chen // Journal of Materials Processing Technology. — 2014. — Vol. 214, no. 11. — P. 2529–2536.

8. Cho D.-W. Analysis of submerged arc welding process by three-dimensional computational fluid dynamics simulations / D.-W. Cho, W.-H. Song, M.-H. Cho [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. — 2013. — Vol. 213, no. 12. — P. 2278–2291.

9. Математическая модель процесса сварки под флюсом и явлений в дуговой каверне / В. А. Судник, В. А. Ерофеев, А. В. Масленников [и др.] // Сварочное производство. — 2012. — № 7. — С. 3–12.

10. Судник, В. А. Математическая модель формирования сварочной ванны при дуговой сварке под флюсом и анализ процесса переноса металла / В. А. Судник, В. А. Ерофеев, А. В. Масленников // Известия Тульского государственного университета. — 2015. — Вып. 6, ч. 2. — С. 21–31.

11. Ghosh, A. Mathematical modeling of moving heat source shape for submerged arc welding process / A. Ghosh, H. Chattopadhyay // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2013. — Vol. 69. — P. 2691–2701.

12. Лесков, Г. И. Электрическая сварочная дуга / Г. И. Лесков. — Москва : Машиностроение, 1970. — 355 с.

13. Тайц, Н. Ю. Технология нагрева стали / Н. Ю. Тайц. — Москва : Металлургиздат, 1962. — 568 с.

14. Инженерная методика расчета параметров режима двухдуговой сварки угловых швов / А. Ю. Мельников, А. М. Фивейский, М. А. Шолохов, А. Е. Филяков // Сварка и диагностика. — 2016. — № 3. — С. 46–48.

15. Kiran, D. V. Arc interaction and molten pool behavior in the three wire submerged arc welding process / D. V. Kiran, D.-W. Cho, W.-H. Song [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2015. — Vol. 87. — P. 327–340.

16. Ribeiro, R. A. Predicting weld bead geometry in the novel CW-GMAW process / R. A. Ribeiro, E. B. F. Santos, P. D. C. Assunção [et al.] // Welding Journal. — 2015. — Vol. 94, no. 9. — P. 301–311.

17. Ивочкин, И. И. Сварка под флюсом с дополнительной присадкой / И. И. Ивочкин, Б. Д. Малышев. — Москва : Стройиздат, 1981. — 176 с.